【2019】【论文笔记】基于混合石墨烯金属结构的可重构THz Vivaldi天线——

前言

类型
$太赫兹+天线$
期刊
$RFANDMICROWAVE$
作者
$JiangliangJin,ZhiqunCheng,JinChen,TaoZhou,ChunlinWu,ChengjianXu$

时间
$2019$

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研究目的

近年来，超宽带（UWB）天线越来越多地应用于生物医学探测、雷达系统和无线通信

由于其高度定向的方向图、宽带和低交叉极化，维瓦尔第（vivaldi）天线被视为UWB（超宽带）技术的最佳候选者之一

太赫兹通信有其独特的穿透性、出色的图像分析能力，在新型通信模式以及经典网络场景中有着广泛的应用——然而，维瓦尔第天线很少用于太赫兹波段

近年来，维瓦尔第天线的性能朝着高增益、小型化、方向性增强和卓越的辐射方向发展

• 在太赫兹波段，由于电子的低迁移率和巨大的衰减，传统的金属天线几乎不可行

幸运的是，石墨烯基组件的进步表明石墨烯的高电子迁移率适用于超高频应用

铜和石墨烯之间的比较如表所示
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混合石墨烯金属天线

然而，在太赫兹波段，石墨烯表面电导率的大虚部导致石墨烯中大的内部电流转化为热量，导致巨大的损耗，这与等离子体模式相关的大传播常数有关？？？

为了提高石墨烯天线的增益，提出了混合石墨烯金属天线

石墨烯膜的边界条件可以用等效表面阻抗来模拟，获得THz波段的辐射模式以及不同化学势下的S参数

与纯石墨烯Vivaldi天线相比，混合石墨烯金属Vivaldi天线有动态可重构性、低反射系数、更优异的辐射效率和增益

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研究模型

石墨烯电导率的边缘效应仅出现在横向尺寸大大小于100nm的结构中，并且电导率可以建模为无限石墨烯片，无限石墨烯膜可由等效表面建模，该等效表面可通过Kubo形式主义计算

表面电导率可以用局部的类似德鲁德Drude的形式表示

$$\sigma (\omega )=\frac{2e^2}{\pi h}{k}_{B}T\cdot ln[2cosh\frac{{\mu }_c}{2k_{B}T}]\frac{i}{\omega +i/\tau }$$

其中$T=300K$是室温，传输弛豫时间为典型值（$\tau =1ps$），${\mu }_c$为化学势。

• 在一定频率下，化学势${\mu }_c$的增加导致表面电导率的实部增加，虚部减少

• 在一定的化学势${\mu }_c$下，石墨烯膜的表面电阻的虚部随频率增加，这导致高频带中的虚部较大

较大的虚部使石墨烯具有感应性质，因此支持石墨烯的表面等离子体激元（SPP）模式，而较大的虚部将导致较大的衰减严重损失

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石墨烯表面边界条件

石墨烯膜的边界条件可以由等效表面阻抗来模拟

表面电流$J_{surf}$、表面电场的切向分量$E_{\tau }{|}_{z=0}$由石墨烯膜的表面阻抗$Z_s$连接

表面电导率$\sigma$将电场的切向分量$E_{\tau }{|}_{z=0}$与石墨烯膜中感应的纯表面电流$J_{surf}$连接

$$E_{\tau }{|}_{z=0}=Z_s\cdot J_{surf}\Rightarrow Z_s=1/\sigma$$

$$J_{surf}=\sigma E_{\tau }{|}_{z=0}$$

石墨烯表面边界条件为

n ⃗ × { H ∣ z = + 0 − H ∣ z = − 0 } = J s u r f = E τ ∣ z = 0 Z s \vec{n} \times \{ H|_{z=+0} - H|_{z=-0} \} = J_{surf} = \frac{ E_{\tau}|_{z=0} }{Z_s} n ×{H∣z=+0​−H∣z=−0​}=Jsurf​=Zs​Eτ​∣z=0​​

当分界面存在自由面电流时，分界面两侧的磁场强度的切向分量不连续

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石墨烯Vivaldi天线

Vivaldi天线是一种缝隙微带天线，它使用指数形状的缝隙结构来控制从缝隙一端向开口端辐射的电磁能

该论文的石墨烯维瓦尔第天线使用石墨烯代替纯金属，天线尺寸为$2mm\times 1mm$

对于维瓦尔迪天线，不同的工作频率由不同的缝隙宽度$\lambda /2$决定

• 最大缝隙宽度确定最小工作频率

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该论文所提出的维瓦尔第天线的最大缝隙宽度约为0.9mm

梯度槽边缘为$y=x{e}^y$的指数曲线和半径为0.062 mm的圆形槽

微带馈线终止在80°扇区

该论文所提出的Vivaldi石墨烯天线辐射器和微带馈线印刷在厚度为0.015 mm的$Si{O}_2$基板衬底上

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结论

石墨烯维瓦尔第天线的增益非常低

石墨烯-金属Vivaldi混合天线可以通过电场偏置进行动态重构，并且具有低反射系数

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问题

等离子体模式相关的大传播常数是什么？

表面等离子体激元（SPP）模式是什么？

Kubo形式主义是如何计算等效表面的？

什么是石墨烯的等离子体效应？

什么是化学势？

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